قانون سرعة الضوء

قانون قياس سرعة الضوء

بما أنّ للضوء طبيعةَ الموجات الكهرومغناطيسيّة، فيمكن قياس سرعة الضوء باستخدام المعادلة الآتية:

• سرعة الضوء = الطول الموجي × التردد؛ وبالإنجليزية: Speed of Light = Wavelength × Frequency
  • وبالرّموز: س _ض = ط × ت؛ وبالإنجليزية: C = λ × F

وبما أنّ التردد = 1 / الزمن؛ وبالإنجليزية: Frequency = 1 / Time وبالرّموز: ت = 1 / ز؛ وبالإنجليزية: F = 1 / T فإنّه يمكن التعبير عن سرعة الضوء بالصيغة الآتية:

• سرعة الضوء = الطول الموجي / الزمن؛ وبالإنجليزية: Speed of Light = Wavelength / Time
  • وبالرّموز: س _ض = ط / ز؛ وبالإنجليزية: C = λ / T، حيث أنّ:
    • C: سرعة الضوء في الفراغ، وحدة قياسها متر لكل ثانية (م/ث).
    • λ: الطول الموجيّ أي المسافة بين قمّة موجة وقمّة موجة أخرى في خطّ مستقيم، وحدة قياسها المتر (م).
    • F: التردّد أي عدد مرات مرور القمة للموجة الكهرومغناطيسيّة من نقطة ثابتة في الثانية الواحدة، وحدة قياسه مقلوب الزمن (1/ث)، وتسمّى (هيرتز).
    • T: الوقت الذي تحتاجُه قمّتان أو قاعان من الموجات الكهرومغناطيسيّة للمرور خلال نقطة ثابتة في الفراغ، وحدة قياسه الثانية (ث).

متى اكتُشفت سرعة الضوء؟

كان العالم غاليليو أوّل من حاول قياس سرعة الضوء بناءً على تجربة عمَليّة نفذها باستخدام المصابيح في عام 1638م، بالرغم من أن تجربته لم تكن على قدر كافي من الدقة إلّا أنّه استنتج أنّ سرعة الضوء كبيرة جدًا، وقدّرها بأنّها تساوي 10 أضعاف سرعة الصوت، لكنّ الحقيقة أنّ سرعة الضوء تساوي مليون ضعف سرعة الصوت.

لكن يعد العالم أولي رومر من أجرى أول تجربة علميّة ناجحة تقريبًا في مجال قياس سرعة الضوء عام 1676م، وقد بنى قياساته على ملاحظاته لحركة أقمار كوكب المشتري وحسابات فلكيّة أخرى، وتوصّل إلى أنّ قيمة سرعة الضوء تبلغ تقريبًا 214,000 كم/ث، إذ تعد هذه القيمة هي أقرب قيمة مقاسة في ذلك الوقت للقيمة الصحيحة.

أجرى عالم الفلك الإنجليزيّ جيمس برادلي تجربته لحساب سرعة الضوء بناءً على مراقبة الانحرافات النجميّة وتغيّر مواضعها في السماء مع حركة دوران الأرض حول الشمس، ومن خلال تحديد تغيّر الزوايا ومعرفة سرعة الأرض، توصّل برادلي لرقم أكثر دقّة لسرعة الضوء في الفراغ وهو 301,000 كم/ث.

توالت تجارب قياس الضوء فيما بعد بين العلماء وصولًا للعالم الفرنسي ليون فوكو، والذي وصل إلى قيمة سرعة ضوء أكثر دقّة وهي 298,000 كم/ث، وفي عام 1881م حسّن العالم مايشيلسون قياسات العالم فوكو وتوصّل إلى نتيجة أكثر دقّة في حساب سرعة الضوء إذ وجد أنّ سرعته تساوي 299,853 كم/ ث، وكانت آخر التجارب الدقيقة التي قاست سرعة الضوء هي تجربة الباحثان روزا ودورسي عام 1907م، اللذان توصلا إلى النتيجة الأكثر دقّة على الإطلاق، أن سرعة الضوء تساوي 299,788 كم/ث.

هل سرعة الضوء لها قيمة ثابتة؟

تعد قيمة سرعة الضوء في الفراغ ثابتة دائمًا، حيث أنها تساوي بأدقّ قياس لها نحو 299,792.458 كم/ث، وتقّرب عادةً إلى 300,000 كم/ث، لكنّ هذه القيمة تختلف مع اختلاف الوسط الذي ينتقل خلاله الضوء، فسرعة الضوء عبر الهواء أو الماء أو الزجاج تختلف عن سرعته بالفراغ والتي تعدّ أكبر قيمة له، وذلك لأنّ لكل وسط معامل انكسار خاصّ به يخفض سرعة الضوء عما إذا كانت في الفراغ.

أمثلة تدريبية على حساب سرعة الضوء

فيما يلي أمثلة تدريبية على حساب:

حساب قيمة الطول الموجي

ينبعث إشعاع تردده 2×10 هيرتز، فما هو طول موجته λ إذا علمت أن الضوء يسير بسرعة 3×10 م/ث؟

• كتابة القانون، سرعة الضوء = الطول الموجي × التردد، وبالرّموز: س _ض = ط × ت
• تعويض المعطيات، 3×10 = الطول الموجي × 2×10
• إيجاد الناتج، الطول الموجي = 1.5×10م

حساب مقدار سرعة الضوء

شعاع طوله الموجي 720×10م احتاج مدّة مقدارها 3 دقائق ليصل من الشمس إلى سطح الأرض، كم كانت سرعته؟

• كتابة القانون، سرعة الضوء = الطول الموجي / الزمن، وبالرّموز: س _ض = ط / ز
• تحويل وحدة الزمن من الدقيقة إلى ثانية، 3 دقائق × 60 = 180 ثانية
• تعويض المعطيات، سرعة الضوء = 720×10 / 180
• إيجاد الناتج، سرعة الضوء = 4×10م/ث

من المعروف أن سرعة الضوء أكبر سرعة موجودة في الطبيعة، هي تمثل قيمة ثابتة إذا ما قيست في الفراغ، وتقارب قيمتها نحو 300,000 كم/ث، ولحساب سرعة الضوء وضع العلماء علاقة رئيسيّة يمكن من خلالها تحديد سرعة الضوء، بحيث تربط بين سرعة الضوء والتردد والطول الموجي، ولهذا القانون تطبيقات علميّة مختلفة، وكان من أهمّها تحديد بعد الأرض عن الشمس بناءً على سرعة وصول ضوء الشمس للأرض.